Tym razem szansa na rewolucję samochodów elektrycznych przyszła z laboratorium, a nie z linii produkcyjnej. Chiński zespół opisał na łamach artykułu opublikowanego w Nature nowy typ elektrolitu, który jest oparty na węglowodorach z fluorem i ma jednocześnie poprawić zachowanie ogniw w niskich temperaturach, a przy tym pozwolić na budowę wyjątkowo “odchudzonych” akumulatorów o bardzo wysokiej energii właściwej.
Elektrolit jako element, który ustawia sufit dla całego akumulatora
Elektrolit to środowisko, w którym jony litu przemieszczają się między elektrodami. Właśnie w tym “między” kryje się mnóstwo problemów: lepkość (czyli jak łatwo jony mogą się poruszać), przewodność jonowa (ile “ruchu” da się uzyskać w danych warunkach), stabilność na wysokim napięciu (czy elektrolit nie zacznie się utleniać i degradować), a także to, jak zachowuje się na granicy z anodą i katodą, gdzie tworzą się warstwy ochronne i gdzie zaczyna się cała chemia psująca cykle.
Klasyczne akumulatory litowo-jonowe od dekad stoją na chemii, w której rozpuszczalniki elektrolitu “trzymają” lit głównie przez atomy tlenu (ligandy tlenowe). Tego typu silna interakcja pomaga w dysocjacji soli i transporcie, ale jednocześnie potrafi blokować szybki transfer ładunku na interfejsie elektrolit-elektroda, co szczególnie boli w niskich temperaturach. Właśnie tu wchodzą do gry związki fluorowane.
Fluor zamiast tlenu, ale z kontrolą tego, jak “trzyma” lit
Sedno nowego pomysłu polega na tym, by przejść z dominującej koordynacji O-Li na koordynację F-Li, ale tak zaprojektowaną, żeby nie była ona zbyt “lepka” dla jonów. Autorzy piszą o alkanach z monofluorowaną strukturą, w których odpowiednio dobrana przeszkoda steryczna i zasadowość Lewisa umożliwiają rozpuszczenie soli powyżej 2 mol/l (czyli >2 mol na litr). W praktyce to ważne, bo rozpuszczalność soli i jej “zachowanie” w roztworze przekładają się na przewodność i na to, czy w ogóle da się zbudować elektrolit o sensownej wydajności. Wśród opisanych rozpuszczalników pada konkretny kandydat, bo 1,3-difluoropropan (DFP), którego określa lepkość rzędu 0,95 cP (czyli 0,95 mPa*s w jednostkach SI), stabilność oksydacyjna na poziomie >4,9 V oraz przewodność jonowa 0,29 mS/cm przy -70 st. C, co odpowiada ok. 0,029 S/m.
Czytaj też: Rozwiązali największy problem fotowoltaiki! Prąd popłynie nawet w deszczu
Dzieło naukowców nie opisuje tu “zwykłego” litowo-jonowego ogniwa z grafitową anodą. Elektrolity umożliwiają pracę ogniwom typu pouch z anodą litowo-metalową przy bardzo małej ilości elektrolitu (poniżej 0,5 g/Ah) i w takim właśnie układzie autorzy raportują energię właściwą większą niż 700 Wh/kg w temperaturze pokojowej oraz około 400 Wh/kg przy -50 stopni Celsjusza (st. C). Takie rozróżnienie ma znaczenie, bo “Wh/kg” potrafi opisywać różne poziomy: materiał aktywny, samo ogniwo, albo cały pakiet akumulatorów w samochodzie. Im bliżej scenariusz dotyka typowego auta, tym więcej masy “martwej” dochodzi po drodze: obudowy, zabezpieczenia, chłodzenia, połączenia, elektroniki czy struktur nośnych. Dlatego zestawienie z 255 Wh/kg dla akumulatora CATL Qilin ma sens jako punkt odniesienia właśnie na poziomie pakietu, bo to liczba komunikowana przez producenta w kontekście CTP (cell-to-pack).
Czytaj też: Chiny budują “super akumulator”. Największy taki obiekt na świecie powstanie w górach
W tym dziele naukowym pada jeszcze jeden detal – słabsza koordynacja F-Li ma ułatwiać osadzanie i rozpuszczanie litu, a autorzy raportują sprawność kulombowską do 99,7% i większą gęstość prądu wymiany przy -50 st. C w porównaniu z koordynacją O-Li. To ważne nawet z innej perspektywy, bo lit metaliczny jest kuszący energetycznie, ale trudny w okiełznaniu. Zwłaszcza gdy temperatura i prądy robią swoje.
Dlaczego niski mróz w badaniach może mieć znaczenie w polskim aucie?
Ktoś może machnąć ręką na tego typu sukces, bo przecież -50 stopni Celsjusza to nie jest codzienność w Polsce. Zgoda, ale problem zimy w elektromobilności rzadko zaczyna się dopiero przy ekstremach. Spowolnienie kinetyki reakcji, większa oporność wewnętrzna, mniejsza moc oddawana i przyjmowana oraz mocniejsze ograniczenia ładowania pojawiają się już przy po prostu niskiej temperaturze. Jeśli elektrolit utrzymuje przewodność i wspiera procesy na interfejsie elektrod w temperaturach, w których klasyczne układy zaczynają dawać za wygraną w zbyt dużym stopniu, to oznacza potencjalnie mniej agresywne “odcinanie” mocy i ładowania przez system zarządzania akumulatorem w chłodzie.
Czytaj też: Opatentowali szalony pomysł na akumulator dla samochodów. Będzie ruszał się w rytm jazdy
Jednocześnie musimy pamiętać, że akumulatory z anodą litowo-metalową od lat obiecują skok energii właściwej, ale ich problemem są m.in. dendryty, stabilność warstw międzyfazowych i bezpieczeństwo przy szybkich obciążeniach oraz ładowaniu. Nowy elektrolit może poprawiać działanie ogniw, ale to wciąż nie jest automatyczna gwarancja tysięcy cykli w wykorzystywanym na co dzień aucie. Druga kwestia to chemia fluorowana jako taka. Z jednej strony fluorowane rozpuszczalniki i dodatki w elektrolitach nie są niczym nowym w badaniach, bo często poprawiają stabilność i właściwości niskotemperaturowe. Z drugiej strony, gdy mówimy o przejściu do masowej produkcji, pojawiają się pytania o koszty wytwarzania, wymagania czystości, kompatybilność z istniejącymi liniami i o ślad środowiskowy.
Źródła: Nature, CarNewsChina
